Doctor of Public Health 전상훈입니다
Q. MRI 촬영을 하는것도 물리에 속하나요?
안녕하세요. 자기 공명 영상(Magnetic Resonance Imaging ; MRI)은 의학적 진단에서 각광받는 역할을 하는 기술입니다. 특히, 연부조직의 이상변이(암, 디스크, 인대 등)의 진단적 가치가 높은 영상을 구현하는데에는 대체할 수 있는 검사가 없다고 표현해도 과언이 아닙니다. MRI의 검사의 원리는 인체에 자장을 걸었을 때 체내에 있는 수소원자들은 일정한 방향으로 정렬하게 됩니다. 이때 자장을 풀었을때 다시 본래의 위치로 돌아가는 차이를 통해 영상을 구현해내는 것입니다. 이런 MRI의 원리는 물리학, 특히 핵자기공명(Nuclear Magnetic Resonance ; NMR) 이론에 근거하고 있습니다. 위에 설명한 수소원자들의 정렬을 바꿔 이야기 하면 수소 원자의 핵 스핀과 자기장 간의 상호작용이라고 말할 수 있습니다. 강력한 자석을 이용하여 인체 내의 프로톤을 일정한 방향으로 정렬시킨 후, 라디오 주파수 펄스를 사용하여 이들의 정렬을 방해합니다. 이후 프로톤이 자기장 내에서 원래 상태로 돌아가며 방출하는 신호를 수신하여, 이를 통해 조직의 세밀한 이미지를 생성합니다. MRI의 기본 원리는 핵 스핀, Larmor 주파수, 레이저 조화 조건, T₁ 및 T₂ 이완 시간 등 물리학적 개념들을 포함합니다. 자기장(Magnetic Field)과 라디오 주파수(Radio Frequency)의 적절한 조합을 통해 각각의 조직이나 병변을 특징짓는 이미지를 얻을 수 있는데, 이는 각 조직의 수소 원자 밀도와 이완 시간의 차이에서 원인이 있습니다.
Q. 지구에서 인공적으로 만들었던 가장 높은 온도는 몇 도인가요?
안녕하세요. 역사적으로 인간이 만들어낸 가장 높은 온도는 CERN의 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider ; LHC)에서 2012년에 기록되었습니다. 이 실험에서 과학자들은 5조 켈빈(K) 이상의 온도를 달성했으며, 이는 우주가 생성된 직후의 온도와 유사한 수준입니다. 이러한 초고온은 퀀크 글루온 플라즈마 라는 상태를 만들기 위해 사용되었으며, 이는 빅뱅 이후 초기 우주를 채웠던 것으로 추정되는 물질 상태입니다. 이 결과는 입자 물리학 및 우주론 연구에 중대한 기여를 했습니다. LHC는 그 성과를 인정받아 여러 기네스 세계 기록을 세웠습니다.
Q. 포물선운동에서 땅에 떨어지기 까지 걸리는 시간은 어떻게 구할수 있나요?
안녕하세요. 포물선 운동에서 물체가 땅에 닿기까지 걸리는 시간을 계산하는 문제는 고전역학의 주요 주제 중 하나입니다. 이 시간은 물체가 투척되는 초기 속도와 발사 각도, 지구의 중력 가속도에 의존합니다. 포물선 운동에서 물체가 땅에 닿는 시간 t는 다음과 같이 식으로 표현할 수 있습니다 : t = (2v₀sin(θ)) / g 여기서 v₀는 물체의 초기 속도, θ는 물체가 발사된 각도, g는 중력 가속도를 나타냅니다. 이 식은 물체가 최고점에 도달하는 시간에 2를 곱한 값으로, 최고점에서 물체의 수직 속도가 0이 되는 순간, 물체가 상승을 멈추고 다시 하강하기 시작하는 시간을 의미합니다. 이러한 계산은 물체가 수평면에 대해 세타 각도로 발사될 때의 운동을 기술하는데 필요한 중요한 요소입니다. 포물선 운동에 대해 조금 더 심도있는 내용은 "Physics for Scientists and Engineers (Serway and Jewett)" 서적을 참고하시면 좋습니다.
Q. 석탄과 석유 외에 다른 화석 연료의 연소 과정에서도 황산화물과 질소산화물이 배출될까요?
안녕하세요. 석탄과 석유 외의 다른 화석 연료의 연소 과정에서도 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)이 배출됩니다. 이러한 화합물의 배출은 연료 자체의 화학적 구성, 특히 황과 질소 함량, 연소 과정에서의 온도 및 산소 농도에 크게 의존합니다. 황산화물은 연료에 포함된 황이 산화되면서 방출되고, 질소산화물은 연료 내의 유기 질소 성분 또는 공기 중의 질소 분자가 고온에서 산소와 반응하여 생성됩니다. 천연가스는 주로 메테인(CH₄)으로 구성된 화석 연료로, 석탄이나 석유에 비해 상대적으로 청정한 연료로 간주됩니다. 천연가스의 황 함량은 매우 낮아 황산화물 배출은 거의 없거나 무시할 수준입니다. 그러나 천연가스의 연소 과정에서도 연소 온도가 높을 경우 공기 중 질소(N₂)와 산소(O₂)가 반응하여 질소산화물(NO,NO₂)이 생성됩니다. 이는 주로 열적 NOx(thermal NOx) 메커니즘에 의해 발생하며, 천연가스를 사용하는 발전소에서도 환경적 영향을 초래합니다. 오일 셰열(oil shale)과 타르 샌드(tar sands)와 같은 비전통적 화석 연료는 석유와 유사하지만 황 함량이 높은 경우가 많습니다. 이들 연료는 가공되지 않은 상태에서 연소될 경우 다량의 황산화물을 배출할 가능성이 있습니다. 또한, 이들 연료는 질소 함량도 상당히 높아 연소 과정에서 질소산화물 배출이 문제가 될 수 있습니다. 따라서 이러한 연료를 사용할 때는 전처리 과정(ex : 황 제거)이 필수적입니다. 석탄층 메탄(Coal Bed Methane ; CBM)과 같은 대체 화석 연료는 석탄이 포함된 지층에서 추출되며, 천연가스와 유사한 구성을 가집니다. 이 연료는 황 함량이 매우 낮아 황산화물 배출이 거의 없으나, 고온 연소 시 질소산화물 배출이 발생할 수 있습니다. 이는 천연가스와 유사한 배출 특성을 나타냅니다. 황산화물과 질소산화물의 배출량을 비교해보면, 석탄과 황 함량이 높은 석유 기반 연료(ex : 오일 셰일)가 가장 많은 SOx를 배출하며, 청정 연료로 간주되는 천연가스와 석탄층 메탄에서는 거의 배출되지 않습니다. 반면, NOx 배출은 연소 온도와 연소 조건에 의해 크게 좌우되며, 모든 화석 연료에서 공통적으로 나타날 수 있습니다. 특히 고온 완전 연소가 이루어질 경우, NOx 배출량이 크게 증가할 수 있습니다.
Q. 유기 화합물이란 무엇을 말하나요???
안녕하세요. 유기 화합물(有機化合物, organic compounds)은 탄소를 중심 원자로 포함하는 화합물로, 주로 탄소와 수소 간의 공유 결합(C-H bonds)을 기본 골격으로 합니다. 이러한 화합물은 탄소 원자가 스스로 긴 사슬(chain) 또는 고리(ring) 구조를 형성할 수 있는 독특한 성질을 통해 자연에서 엄청난 다양성과 복잡성을 가지게 되며, 생명체의 구성과 대사 과정에서 필수적인 역할을 합니다. 유기 화합물의 정의는 탄소의 화학적 특성에 기초하고 있으며, 탄소-탄소 결합과 다양한 작용기(functional group)를 기반으로 한 화합물군으로 구성됩니다. 탄소 원자는 4개의 전자를 가지고 있어 4개의 공유 결합을 형성할 수 있기 때문에, 다른 탄소 원자들과 결합하여 길고 복잡한 구조를 만들 수 있습니다. 이 구조적 다양성은 유기 화합물이 지구 상의 생명체에서 중요한 역할을 하는 이유 중 하나입니다. 또한, 탄소 원자는 산소(O), 질소(N), 황(S), 인(P), 할로겐(ex : 플루오린(F), 염소(Cl))과 결합하여 특정 화학적 특성과 반응성을 부여하는 작용기를 형성합니다. 이러한 작용기는 화합물의 성질과 반응성을 결정짓는 핵심 요소입니다.